Wanneer mensen denken aan autoprestaties, denken ze normaal gesproken aan pk's, koppel en acceleratie van nul tot 60. Maar al het vermogen dat door een zuigermotor wordt gegenereerd, is nutteloos als de bestuurder de auto niet kan besturen. Daarom richtten auto-ingenieurs hun aandacht op het veersysteem bijna zodra ze de viertakt-verbrandingsmotor onder de knie hadden.
De taak van een auto-ophanging is om de wrijving tussen de banden en het wegdek te maximaliseren, stuurstabiliteit te bieden met een goede handling en het comfort van de passagiers te garanderen. In dit artikel zullen we onderzoeken hoe auto-ophangingen werken, hoe ze in de loop der jaren zijn geëvolueerd en waar het ontwerp van ophangingen in de toekomst naartoe gaat.
Als een weg perfect vlak was, zonder oneffenheden, zouden ophangingen niet nodig zijn. Maar de wegen zijn verre van vlak. Zelfs pas verharde snelwegen hebben subtiele onvolkomenheden die kunnen interageren met de wielen van een auto. Het zijn deze onvolkomenheden die krachten uitoefenen op de wielen. Volgens de bewegingswetten van Newton hebben alle krachten beide grootte en richting . Een hobbel in de weg zorgt ervoor dat het wiel loodrecht op het wegdek op en neer beweegt. De grootte hangt natuurlijk af van of het wiel een gigantische hobbel of een klein stipje raakt. Hoe dan ook, het autowiel ervaart een verticale versnelling als het over een onvolmaaktheid heen gaat.
Zonder een tussenliggende structuur wordt alle verticale energie van het wiel overgebracht naar het frame, dat in dezelfde richting beweegt. In een dergelijke situatie kunnen de banden het contact met de weg volledig verliezen. Dan kunnen de banden onder de neerwaartse zwaartekracht terug in het wegdek slaan. Wat je nodig hebt, is een systeem dat de energie van het verticaal versnelde wiel absorbeert, waardoor het frame en de carrosserie ongestoord kunnen rijden terwijl de banden oneffenheden in de weg volgen.
De studie van de krachten die aan het werk zijn op een rijdende auto heet voertuigdynamica , en u moet enkele van deze concepten begrijpen om te begrijpen waarom een schorsing überhaupt nodig is. De meeste auto-ingenieurs beschouwen de dynamiek van een rijdende auto vanuit twee perspectieven:
Deze twee kenmerken kunnen verder worden beschreven in drie belangrijke principes:wegisolatie , wegligging en bochten . De onderstaande tabel beschrijft deze principes en hoe ingenieurs proberen de unieke uitdagingen voor elk op te lossen.
De ophanging van een auto, met zijn verschillende componenten, biedt alle beschreven oplossingen.
Laten we eens kijken naar de onderdelen van een typische ophanging, vanuit het grotere geheel van het chassis naar de afzonderlijke componenten waaruit de eigenlijke ophanging bestaat.
Inhoud
De ophanging van een auto maakt eigenlijk deel uit van het chassis, dat alle belangrijke systemen omvat die zich onder de carrosserie van de auto bevinden. Deze systemen omvatten:
De ophanging is dus slechts een van de belangrijkste systemen in elk voertuig.
Met dit grote overzicht in gedachten, is het tijd om naar de drie fundamentele componenten van elke ophanging te kijken:veren, dempers en stabilisatorstangen.
De verende systemen van vandaag zijn gebaseerd op een van de vier basisontwerpen:
Op basis van waar de veren zich op een auto bevinden - d.w.z. tussen de wielen en het frame - vinden ingenieurs het vaak handig om te praten over de afgeveerde massa en de onafgeveerde massa .
De geveerde massa is de massa van het op de veren ondersteunde voertuig, terwijl de onafgeveerde massa wordt losjes gedefinieerd als de massa tussen de weg en de ophangingsveren. De stijfheid van de veren beïnvloedt hoe de afgeveerde massa reageert terwijl de auto rijdt. Losjes geveerde auto's, zoals luxe auto's (denk aan de Mercedes-Benz C-Klasse), kunnen hobbels inslikken en zorgen voor een supersoepele rit; een dergelijke auto heeft echter de neiging om te duiken en te hurken tijdens het remmen en accelereren en heeft de neiging om het lichaam te laten slingeren of te rollen tijdens het nemen van bochten. Strak geveerde auto's, zoals sportwagens (denk aan Mazda Miata MX-5), zijn minder vergevingsgezind op hobbelige wegen, maar ze minimaliseren de carrosseriebewegingen goed, wat betekent dat er agressief mee gereden kan worden, zelfs in bochten.
Dus hoewel veren op zichzelf eenvoudige apparaten lijken, is het een complexe taak om ze op een auto te ontwerpen en te implementeren om het passagierscomfort en het rijgedrag in evenwicht te brengen. En om de zaken nog ingewikkelder te maken, kunnen veren alleen niet zorgen voor een perfect soepele rit. Waarom? Omdat veren geweldig zijn in het absorberen van energie, maar niet zo goed in het verdrijven het. Andere constructies, bekend als dempers , zijn hiervoor vereist.
Tenzij een dempende structuur aanwezig is, zal een autoveer zich uitstrekken en de energie die het absorbeert van een hobbel met een ongecontroleerde snelheid vrijgeven. De veer blijft op zijn natuurlijke frequentie stuiteren totdat alle energie die er oorspronkelijk in is gestopt, is opgebruikt. Een ophanging die alleen op veren is gebouwd, zou zorgen voor een extreem veerkrachtige rit en, afhankelijk van het terrein, een oncontroleerbare auto.
Voer de schokdemper in , of snubber, een apparaat dat ongewenste veerbewegingen regelt via een proces dat bekend staat als demping . Schokdempers vertragen en verminderen de omvang van trillingsbewegingen door de kinetische energie van de beweging van de ophanging om te zetten in warmte-energie die kan worden afgevoerd via hydraulische vloeistof. Om te begrijpen hoe dit werkt, kun je het beste in een schokdemper kijken om de structuur en functie te zien.
Een schokdemper is in feite een oliepomp geplaatst tussen het frame van de auto en de wielen. De bovenste bevestiging van de schokdemper is verbonden met het frame (d.w.z. het afgeveerde gewicht), terwijl de onderste bevestiging is verbonden met de as, nabij het wiel (d.w.z. het onafgeveerde gewicht). In een twin-tube design , een van de meest voorkomende soorten schokdempers, is de bovenste bevestiging verbonden met een zuigerstang, die op zijn beurt is verbonden met een zuiger, die op zijn beurt in een buis zit gevuld met hydraulische vloeistof. De binnenbuis staat bekend als de drukbuis en de buitenbuis staat bekend als de reservebuis. De reservebuis slaat overtollige hydraulische vloeistof op.
Wanneer het autowiel een hobbel in de weg tegenkomt en ervoor zorgt dat de veer op- en afrolt, wordt de energie van de veer via de bovenste bevestiging naar de schokdemper overgebracht, naar beneden door de zuigerstang en in de zuiger. Gaten perforeren de zuiger en laten vloeistof doorlekken terwijl de zuiger op en neer beweegt in de drukbuis. Omdat de gaatjes relatief klein zijn, gaat er maar een kleine hoeveelheid vloeistof, onder grote druk, doorheen. Dit vertraagt de zuiger, die op zijn beurt de veer vertraagt.
Schokdempers werken in twee cycli:de compressiecyclus en de extensiecyclus . De compressiecyclus vindt plaats wanneer de zuiger naar beneden beweegt, waardoor de hydraulische vloeistof in de kamer onder de zuiger wordt samengedrukt. De verlengingscyclus vindt plaats wanneer de zuiger naar de bovenkant van de drukbuis beweegt, waardoor de vloeistof in de kamer boven de zuiger wordt samengedrukt. Een typische auto of lichte vrachtwagen zal tijdens zijn uitschuifcyclus meer weerstand hebben dan tijdens zijn compressiecyclus. Met dat in gedachten regelt de compressiecyclus de beweging van het onafgeveerde gewicht van het voertuig, terwijl de extensie het zwaardere, afgeveerde gewicht regelt.
Alle moderne schokdempers zijn snelheidsgevoelig — hoe sneller de vering beweegt, hoe meer weerstand de schokdemper biedt. Hierdoor kunnen schokken worden aangepast aan de wegomstandigheden en worden alle ongewenste bewegingen die kunnen optreden in een bewegend voertuig, waaronder stuiteren, slingeren, remmen en acceleratie-squat, onder controle.
Een andere veel voorkomende dempingsstructuur is de strut - eigenlijk een schokdemper gemonteerd in een spiraalveer. Stutten hebben twee taken:ze zorgen voor een demping functioneren als schokdempers en bieden structurele ondersteuning voor de voertuigophanging. Dat betekent dat stutten iets meer leveren dan schokdempers, die het voertuiggewicht niet dragen - ze regelen alleen de snelheid waarmee het gewicht in een auto wordt overgebracht, niet het gewicht zelf.
Omdat schokken en stutten zo veel te maken hebben met het rijgedrag van een auto, kunnen ze als kritieke veiligheidsvoorzieningen worden beschouwd. Versleten schokbrekers en stutten kunnen een overmatige overdracht van het voertuiggewicht van links naar rechts en van voren naar achteren mogelijk maken. Dit vermindert de grip van de band op de weg, evenals de handling en remprestaties.
Stabilisatorstangen (ook bekend als stabilisatorstangen) worden samen met schokdempers of veerpoten gebruikt om een rijdende auto extra stabiliteit te geven. Een stabilisatorstang is een metalen staaf die de hele as overspant en effectief elke zijde van de ophanging met elkaar verbindt.
Wanneer de ophanging aan het ene wiel op en neer beweegt, brengt de stabilisatorstang beweging over op het andere wiel. Dit zorgt voor een meer vlakke rit en vermindert het slingeren van het voertuig . Het bestrijdt met name het rollen van een auto op zijn ophanging in bochten. Om deze reden zijn bijna alle auto's tegenwoordig standaard uitgerust met stabilisatorstangen, maar als dat niet het geval is, maken sets het gemakkelijk om de stangen op elk moment te installeren.
Tot nu toe hebben onze discussies zich gericht op hoe veren en dempers werken op een bepaald wiel. Maar de vier wielen van een auto werken samen in twee onafhankelijke systemen:de twee wielen verbonden door de vooras en de twee wielen verbonden door de achteras. Dat betekent dat een auto voor en achter een ander type vering kan en heeft.
Veel wordt bepaald door de vraag of een starre as de wielen bindt of dat de wielen zelfstandig mogen bewegen. De eerste opstelling staat bekend als een afhankelijk systeem , terwijl de laatste regeling bekend staat als een onafhankelijk systeem . In de volgende paragrafen zullen we kijken naar enkele van de meest voorkomende typen voor- en achterophangingen die doorgaans worden gebruikt in reguliere auto's.
Afhankelijke voorwielophangingen hebben een starre vooras die de voorwielen verbindt. Kortom, dit ziet eruit als een stevige balk onder de voorkant van de auto, op zijn plaats gehouden door bladveren en schokdempers. Gebruikelijk op vrachtwagens, afhankelijke voorwielophanging wordt al jaren niet meer gebruikt in reguliere auto's.
In deze opstelling mogen de voorwielen onafhankelijk bewegen. De MacPherson-veer , ontwikkeld door Earle S. MacPherson van General Motors in 1947, is het meest gebruikte voorwielophangingssysteem, vooral in auto's van Europese oorsprong.
De MacPherson-veerpoot combineert een schokdemper en een spiraalveer in een enkele eenheid. Dit zorgt voor een compacter en lichter veersysteem dat kan worden gebruikt voor voertuigen met voorwielaandrijving.
De dubbele wishbone-ophanging , ook bekend als A-armophanging of draagarmophanging, is een ander veelvoorkomend type onafhankelijke voorwielophanging.
Hoewel er verschillende mogelijke configuraties zijn, gebruikt dit ontwerp meestal twee vorkbeenvormige armen om het wiel te lokaliseren. Elke draagarm, die twee montageposities aan het frame en één aan het stuur heeft, is voorzien van een schokdemper en een spiraalveer om trillingen te absorberen. Dubbele wishbone-ophangingen zorgen voor meer controle over de camberhoek van het wiel, die de mate beschrijft waarin de wielen naar binnen en naar buiten kantelen. Ze helpen ook het rollen of slingeren te minimaliseren en zorgen voor een consistenter stuurgevoel. Vanwege deze kenmerken is de ophanging met dubbele draagarmen gebruikelijk op de voorwielen van grotere auto's.
Laten we nu eens kijken naar enkele veelvoorkomende achterwielophangingen.
Als een massieve as de achterwielen van een auto verbindt, is de ophanging meestal vrij eenvoudig - gebaseerd op een bladveer of een schroefveer. Bij de vorige uitvoering klemmen de bladveren direct op de aandrijfas. De uiteinden van de bladveren worden rechtstreeks aan het frame bevestigd en de schokdemper is bevestigd aan de klem die de veer aan de as houdt. Jarenlang gaven Amerikaanse autofabrikanten de voorkeur aan dit ontwerp vanwege zijn eenvoud.
Hetzelfde basisontwerp kan worden bereikt met schroefveren die de bladeren vervangen. In dit geval kunnen de veer en schokdemper als een eenheid of als afzonderlijke componenten worden gemonteerd. Als ze gescheiden zijn, kunnen de veren veel kleiner zijn, waardoor de ophanging minder ruimte inneemt.
Als zowel de voor- als de achterwielophanging onafhankelijk zijn, worden alle wielen afzonderlijk gemonteerd en geveerd, wat resulteert in wat autoadvertenties aanprijzen als 'onafhankelijke ophanging op vier wielen'. Elke ophanging die aan de voorkant van de auto kan worden gebruikt, kan aan de achterkant worden gebruikt en versies van de onafhankelijke systemen vooraan die in het vorige gedeelte zijn beschreven, zijn te vinden op de achterassen. Natuurlijk ontbreekt aan de achterkant van de auto het stuurhuis - het geheel dat het rondsel omvat en de wielen van links naar rechts laat draaien. Dit betekent dat de onafhankelijke achterophangingen vereenvoudigde versies van de voorste kunnen zijn, hoewel de basisprincipes hetzelfde blijven.
Vervolgens kijken we naar de ophangingen van speciale auto's.
Historische schorsingenZestiende-eeuwse wagens en rijtuigen probeerden het probleem van "elke hobbel in de weg te voelen" op te lossen door de koets te slingeren met leren banden die waren bevestigd aan vier palen van een chassis dat eruitzag als een omgekeerde tafel. Omdat het koetswerk aan het chassis was opgehangen, werd het systeem bekend als een "ophanging" - een term die vandaag nog steeds wordt gebruikt om de hele klasse van oplossingen te beschrijven. De hangende ophanging was geen echt veersysteem, maar zorgde ervoor dat de carrosserie en de wielen van de koets onafhankelijk van elkaar konden bewegen. Semi-elliptische veerontwerpen, ook wel karveren genoemd, vervingen snel de lederen bandophanging. De semi-elliptische veren, populair op wagons, buggy's en rijtuigen, werden vaak gebruikt op zowel de voor- als de achteras. Ze hadden echter de neiging om voor- en achterwaartse zwaai toe te staan en hadden een hoog zwaartepunt. Tegen de tijd dat gemotoriseerde voertuigen de weg op gingen, werden andere, efficiëntere veersystemen ontwikkeld om de rit voor passagiers te vergemakkelijken.
Dit artikel heeft zich voor het grootste deel gericht op de ophangingen van reguliere auto's met voor- en achterwielaandrijving - auto's die onder normale rijomstandigheden op normale wegen rijden. Maar hoe zit het met de vering van speciale auto's, zoals hot rods, racers of extreme terreinwagens? Hoewel de ophangingen van speciale auto's aan dezelfde basisprincipes voldoen, bieden ze extra voordelen die uniek zijn voor de rijomstandigheden waarin ze moeten navigeren. Wat volgt is een kort overzicht van hoe ophangingen zijn ontworpen voor drie soorten speciale auto's:Baja Bugs, Formule 1-racers en hot rods in Amerikaanse stijl.
De Volkswagen Kever, of Bug, was voorbestemd om een favoriet te worden onder offroad-enthousiastelingen. Met een laag zwaartepunt en plaatsing van de motor boven de achteras, kan de tweewielaangedreven Bug zowel offroad-omstandigheden als sommige voertuigen met vierwielaandrijving aan. Natuurlijk is de VW Bug met zijn fabrieksuitrusting niet klaar voor offroad-omstandigheden. De meeste bugs vereisen enkele aanpassingen of conversies om ze klaar te maken voor racen in barre omstandigheden zoals de woestijnen van Baja California.
Een van de belangrijkste wijzigingen vindt plaats in de ophanging. De torsiestangophanging, standaarduitrusting aan de voor- en achterkant van de meeste Bugs tussen 1936 en 1977, kan worden verhoogd om plaats te maken voor zware offroad-wielen en banden. Langere schokdempers vervangen de standaard schokbrekers om de carrosserie hoger te tillen en voor een maximale wieluitslag te zorgen. In sommige gevallen verwijderen Baja Bug-converters de torsiestaven volledig en vervangen ze door meerdere coil-over-systemen , een aftermarket-item dat zowel de veer als de schokdemper combineert in één verstelbare eenheid. Het resultaat van deze aanpassingen is een voertuig waarmee de wielen aan elk uiteinde 20 inch (50 centimeter) of meer verticaal kunnen bewegen. Zo'n auto kan gemakkelijk door ruw terrein navigeren en lijkt vaak over woestijnwasbord te "springen" als een steen over water.
De Formule 1-racewagen vertegenwoordigt het toppunt van auto-innovatie en -evolutie. Lichtgewicht, composiet carrosserieën, krachtige V10-motoren en geavanceerde aerodynamica hebben geleid tot snellere, veiligere en betrouwbaardere auto's.
Om de vaardigheid van de coureur naar een hoger niveau te tillen als de belangrijkste onderscheidende factor in een race, gelden er strikte regels en vereisten voor het ontwerp van Formule 1-racewagens. De regels die het ontwerp van de ophanging regelen, zeggen bijvoorbeeld dat alle Formule 1-racers conventioneel moeten zijn geveerd, maar ze staan geen computergestuurde, actieve ophanging toe. Om hieraan tegemoet te komen, zijn de auto's voorzien van multi-link-ophangingen , die een mechanisme met meerdere hengels gebruiken dat gelijk is aan een systeem met dubbele draagarmen.
Bedenk dat een ontwerp met dubbele draagarmen twee draagarmen in de vorm van een draagarm gebruikt om de op- en neergaande beweging van elk wiel te begeleiden. Elke arm heeft drie montageposities - twee aan het frame en één aan de wielnaaf - en elke verbinding is scharnierend om de beweging van het wiel te geleiden. In alle auto's is het belangrijkste voordeel van een ophanging met dubbele draagarmen controle . De geometrie van de armen en de elasticiteit van de gewrichten geven ingenieurs ultieme controle over de hoek van het wiel en andere voertuigdynamica, zoals tillen, hurken en duiken.
In tegenstelling tot straatauto's worden de schokdempers en schroefveren van een Formule 1-raceauto echter niet rechtstreeks op de draagarmen gemonteerd. In plaats daarvan zijn ze over de lengte van de auto georiënteerd en worden ze op afstand bestuurd via een reeks duw- en trekstangen. Ze vertalen de op-en-neer bewegingen van het wiel naar de heen en weer beweging van het veer-en-demper apparaat.
Het klassieke Amerikaanse hot rod-tijdperk duurde van 1945 tot ongeveer 1965. Net als Baja Bugs, moesten klassieke hot rods door hun eigenaars aanzienlijk worden aangepast. In tegenstelling tot Bugs, die echter op Volkswagen-chassis zijn gebouwd, werden hot rods gebouwd op een verscheidenheid aan oude, vaak historische automodellen:auto's die vóór 1945 waren geproduceerd, werden beschouwd als ideaal voer voor hot rod-transformaties omdat hun carrosserieën en frames vaak in goede staat waren , terwijl hun motoren en transmissies volledig moesten worden vervangen. Voor hot rod-enthousiastelingen was dit precies wat ze wilden, want het stelde hen in staat om betrouwbaardere en krachtigere motoren te installeren, zoals de Ford V8 met platte kop of de Chevrolet V8.
Een populaire hot rod stond bekend als de T-bucket omdat het gebaseerd was op de Ford Model T. De standaard Ford-ophanging aan de voorkant van de Model T bestond uit een solide I-beam vooras (een afhankelijke ophanging), een U-vormige buggyveer (bladveer) en een draagarm- gevormde straalstaaf met een bal aan het achterste uiteinde die scharnierde in een beker die aan de transmissie was bevestigd.
De ingenieurs van Ford bouwden het Model T om hoog te rijden met een grote hoeveelheid bewegingsvrijheid, een ideaal ontwerp voor de ruwe, primitieve wegen van de jaren dertig. Maar na de Tweede Wereldoorlog begonnen hot rodders te experimenteren met grotere Cadillac- of Lincoln-motoren, wat betekende dat de wishbone-vormige radiusstang niet langer van toepassing was. In plaats daarvan hebben ze de middelste bal verwijderd en de uiteinden van het draagbeen aan de framerails vastgeschroefd. Deze "gespleten draagarm " ontwerp verlaagde de vooras ongeveer 1 inch (2,5 centimeter) en verbeterde het rijgedrag van het voertuig.
Om de as meer dan een centimeter te verlagen, was een gloednieuw ontwerp nodig, dat werd geleverd door een bedrijf dat bekend staat als Bell Auto. Gedurende de jaren '40 en '50 bood Bell Auto assen met verlaagde buis aan die de auto maar liefst 13 centimeter verlaagde. Buisassen werden gebouwd van gladde stalen buizen en uitgebalanceerde sterkte met uitstekende aerodynamica. Het stalen oppervlak accepteerde ook verchromen beter dan de gesmede I-beam-assen, dus hot rodders gaven er ook vaak de voorkeur aan vanwege hun esthetische kwaliteiten.
Sommige hot rod-enthousiastelingen voerden echter aan dat de stijfheid en het onvermogen om te buigen van de buisas de manier waarop deze met de stress van het rijden omging, in gevaar bracht. Om hieraan tegemoet te komen, introduceerden hot rodders de ophanging met vier stangen , met behulp van twee bevestigingspunten op de as en twee op het frame. Op elk bevestigingspunt zorgden staafuiteinden in vliegtuigstijl voor voldoende beweging onder alle hoeken. Het resultaat? Het systeem met vier stangen verbeterde de werking van de ophanging in allerlei rijomstandigheden.
Bekijk de onderstaande links voor meer informatie over auto-ophangingen en gerelateerde onderwerpen.
Oorspronkelijk gepubliceerd:11 mei 2005
